Введение к работе
Актуальность темы.
Гексаферриты М-типа обладают высокими значениями константы магнитной анизотропии, поэтому материалы на их основе являются магнитотвёрдыми. В последние годы всё больший интерес привлекают магнитные структурированные материалы на основе однодоменных наночастиц гексаферритов [1-3]. Наиболее ярким примером является создание IBM и Fuji в 2010 году новой магнитной ленты с рекордно высокой плотностью записи цифровой информации, основу которой составляет тонкая пленка нанодисперсного гексаферрита бария. Кассета с такой лентой способна нести до 35 терабайт информации, что в 44 раза больше, чем магнитная лента последнего, четвертого поколения. Следует отметить, что еще большими перспективами должны обладать материалы на основе гексаферрита стронция, который характеризуется большими значениями магнитной анизотропии и спонтанной намагниченности по сравнению с BaFei20i9. Помимо создания материалов для сверхплотной магнитной записи информации такие магнитные пленки могут использоваться в качестве элементов микро- и наноэлектромеханических систем и в СВЧ технике [4].
В ультрадисперсном виде гексаферрит стронция может применяться при создании материалов для магнитооптики. Пластинчатые частицы гексаферрита могут ориентироваться за счёт сильного взаимодействия с внешним магнитным полем вследствие их большого постоянного магнитного момента, изменяя при этом оптические свойства раствора. В результате чего, в коллоидных растворах на основе таких магнитных частиц в магнитном поле можно ожидать возникновение эффекта линейного дихроизма, при этом величина эффекта будет зависеть от степени ориентации частиц в растворе и величины анизотропии формы (отношение диаметра частицы к её толщине). В настоящее время основной проблемой остается получение устойчивых коллоидных растворов на основе отдельных частиц гексаферрита стронция с максимальной анизотропией формы и большим магнитным моментом. С другой стороны, подобные коллоидные растворы могут быть использованы для получения высокотекстурированных и одновременно высококоэрцитивных плёнок гексаферрита стронция, необходимых для магнитной записи и микроволновых устройств.
Стеклокерамический метод и гидротермальные методы синтеза представляются наиболее перспективными среди различных методов получения наночастиц гексаферрита, т.к. позволяют получать неагрегированные магнитотвёрдые пластинчатые частицы с толщиной несколько нанометров.
С учетом вышесказанного, разработка эффективных стеклокерамических и гидротермальных способов получения пластинчатых магнитотвёрдых наночастиц гексаферрита стронция с максимальной анизотропией формы и высоким магнитным моментом, устойчивых коллоидных растворов и
высокотекстурированных плёнок на их основе, несомненно, представляет собой актуальную проблему.
Цель: Разработка стеклокерамического и гидротермального метода синтеза наночастиц гексаферрита стронция для получения на их основе устойчивых коллоидных растворов, обладающих магнитооптическими свойствами.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследование влияния состава стекла в системе SrO-Fe203-B203 и условий его термообработки на формирование и морфологию магнитной фазы.
-
Синтез пластинчатых наночастиц SrFei20i9 различного размера стеклокерамическим и гидротермальным методом и изучение их магнитных свойств.
-
Получение коллоидных растворов на основе магнитотвёрдых пластинчатых наночастиц SrFei20i9 и исследование их магнитооптических свойств.
-
Исследование формирования слоев наночастиц SrFei2Oi9 из коллоидных растворов на подложках.
В качестве объектов исследования выступают образцы стёкол и стеклокерамики в системе SrO-Fe203-B203, частицы гексаферрита стронция, выделенные из стеклокерамики или синтезированные гидротермальным методом, планарные и каркасные структуры и коллоидные растворы на основе этих частиц.
Научная новизна работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:
-
Определены области составов стёкол в системе SrO-Fe203-B203 и условия их термообработки, при которых формируются изолированные пластинчатые наночастицы SrFei2Oi9, сростки таких частиц и каркасные структуры. Впервые на основе наночастиц гексаферрита стронция получены структуры с параллельной системой субмикронных пор. На основе стеклокерамического метода разработана методика синтеза неагрегированных наночастиц гексаферрита стронция.
-
Предложена методика синтеза магнитотвёрдых наночастиц гексаферрита стронция с использованием гидротермального метода.
-
Разработана методика получения устойчивых коллоидных растворов на основе пластинчатых магнитотвёрдых наночастиц гексаферрита стронция, проявляющих сильный магнитооптический эффект в малых магнитных полях в видимом диапазоне спектра. Определены характеристики магнитных и магнитооптических свойств этих коллоидных растворов.
-
Показано, что в результате адсорбции наночастиц гексаферрита из коллоидных растворов на поверхности стеклянных подложек образуется с-ориентированный слой, проявляющий анизотропию магнитных свойств.
Практическая ценность работы:
-
Синтезированные в работе коллоидные растворы проявляют индуцированный магнитным полем эффект линейного дихроизма и могут быть использованы для разработки детекторов магнитного поля, устройств модуляции света, мониторов.
-
Результаты по формированию тонких магнитных слоев из ориентированных частиц гексаферрита стронция могут использоваться для разработки технологий изготовления пленочных микроволновых устройств.
-
Полученные в работе пористые структуры на основе гексаферрита стронция могут найти применение в качестве мембран и адсорбентов с возможностью магнитной сепарации.
Апробация работы. Результаты работы доложены на четвёртой Всероссийской конференция по наноматериалам (Москва, 2011), IX, X, XI конференции молодых ученых "Актуальные проблемы неорганической химии" (Звенигород, 2009, 2010, 2011), Третьем международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2010), XVII, XVIII, XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2009, 2010, 2011, 2012), 44-ой и 46-ой школах ПИЯФ РАН по физике конденсированного состояния (Ленинградская область, 2010, 2012), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), международной конференции E-MRS Spring Meeting (Ницца, 2011) и международной конференции Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 17 работах, в том числе в 3 статьях в научных журналах и 14 тезисах докладов на международных и всероссийских научных конференциях.
Вклад автора в разработку проблемы. В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных непосредственно автором в период 2009-2012 гг. Работа выполнена в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова на факультете наук о материалах и кафедре неорганической химии химического факультета. Автор лично провёл синтез образцов, выполнил измерения при помощи методов магнитометрии, оптической спектроскопии, дифференциального термического анализа, динамического светорассеяния и исследование микроструктуры методом растровой электронной микроскопии, а также лично обработал и интерпретировал все полученные экспериментальные данные. В выполнении отдельных разделов работы принимали участие студенты Факультета наук о материалах Гордеева А.С., Гордеева К.С., Зуев Д.М., Кошкодаев Д.С., Ярошинская Н.В. и студентка Химического факультета Волкова М.О., у которых автор был руководителем курсовых и научных работ. Работа выполнена с использованием оборудования, приобретённого за счёт средств
Программы развития Московского университета, и при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-03-00569-а, 08-03-91950-ННИО_а, 10-03-00694-а, 11-08-01256-а, 12-08-31235-мол_а), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (№ 16.740.11.0201).
Объём и структура работы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрирована 80 рисунками и 15 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 184 ссылки. Работа состоит из введения, трёх глав (обзор литературы, экспериментальная часть, обсуждение результатов), выводов, списка цитируемой литературы и приложения.
